穆丹丹 崔思遠(yuǎn) 劉小昂

（1.中車山東機(jī)車車輛有限公司，山東濟(jì)南 250022；2.江蘇中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇蘇州 215500；3.山東產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東濟(jì)南 250102）

1 引言

農(nóng)村生活污水治理是落實(shí)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容［1］。近年來，我國很多地區(qū)都在積極地進(jìn)行農(nóng)村生活污水治理的探索工作［2］，農(nóng)村生活污水一體化處理設(shè)備（以下簡稱“農(nóng)污處理設(shè)備”）的研制和性能提升成為研究熱點(diǎn)。農(nóng)污處理設(shè)備的安裝形式大體分為地埋式、地上式和半地埋式3 種，其中，地埋式農(nóng)污處理設(shè)備在百噸級(jí)及以下處理規(guī)模中應(yīng)用較廣泛。

水溫與農(nóng)污處理設(shè)備的關(guān)系密切，與微生物活性直接相關(guān)。硝化細(xì)菌生長的最適溫度為20～30 ℃，15 ℃以下時(shí)，硝化速度下降，5 ℃時(shí)完全停止。反硝化細(xì)菌生長的最適溫度是20～40 ℃，低于15 ℃時(shí)，反硝化細(xì)菌的增殖速率和代謝速率降低，反硝化速率下降［3］。由此可見，水溫與農(nóng)污處理設(shè)備運(yùn)行效果直接相關(guān)，是影響農(nóng)污處理設(shè)備性能發(fā)揮的重要因素，探究水溫的變化規(guī)律及影響因素十分必要。

孫大明等［4］對(duì)重慶實(shí)際項(xiàng)目水源側(cè)氣象參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過分析長江江水溫度與空氣溫度的變化關(guān)系，得到Boltzmann 擬合曲線，并得出73.4%的測試水溫與擬合水溫的誤差在［-1，1］℃之間，具有較高精度。高珊珊等［5］對(duì)奧奈達(dá)湖夏季氣溫和不同深度的水溫資料進(jìn)行分析，得到在相同氣候背景下，夏季不同深度水溫與氣溫的溫差均呈升高趨勢，且隨著水深增加，水氣溫差的增加幅度變小。目前我國公開發(fā)表的水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)及影響因素研究主要集中在有關(guān)江、河、湖、海等地表水上，對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)備的水溫變化規(guī)律及影響因素的研究尚不多見。

2 材料與方法

2.1 樣本概況

本研究在江蘇蘇南地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)安裝2 臺(tái)地埋式農(nóng)污處理設(shè)備，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)均為玻璃鋼材質(zhì)，且厚度相同。2 臺(tái)設(shè)備的埋設(shè)深度不同，高差相差0.4 m，具體情況如下：第1 臺(tái)設(shè)備的罐體直徑為2 m，設(shè)備表面覆土為0.3 m，設(shè)備埋深為2.3 m，以下稱“1 號(hào)設(shè)備”；第2 臺(tái)設(shè)備的罐體直徑為2.6 m，設(shè)備表面覆土為0.1 m，設(shè)備埋深2.7 m，以下稱“2 號(hào)設(shè)備”。

2.2 數(shù)據(jù)來源與分析

本研究水溫?cái)?shù)據(jù)來源現(xiàn)場監(jiān)測，水溫的測定使用哈希便攜式水溫測定儀。氣溫?cái)?shù)據(jù)來源中國氣象局。本研究對(duì)2 臺(tái)地埋式農(nóng)污處理設(shè)備的水溫和氣溫進(jìn)行了長達(dá)1 a 的跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測周期為2022 年1—12 月。本文采用回歸分析方法系統(tǒng)地分析了監(jiān)測期內(nèi)設(shè)備水溫與氣溫的變化特點(diǎn)，同時(shí)分析了設(shè)備水溫與設(shè)備埋深的變化關(guān)系，以期為地埋式農(nóng)污處理設(shè)備的運(yùn)行效果分析和性能提升研究提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)備水溫與氣溫隨時(shí)間的變化分析

設(shè)備水溫變化受氣溫的影響很大［6］，2022 年1 號(hào)設(shè)備全年水溫隨時(shí)間的變化趨勢與氣溫隨時(shí)間的變化趨勢基本相同，但水溫變化比氣溫變化延后一段時(shí)間。

從總體來看，設(shè)備水溫變化分為水溫上升期和水溫下降期。設(shè)備水溫上升期為3—8 月，持續(xù)時(shí)間6 個(gè)月。從3 月月初設(shè)備水溫逐漸升高，到8 月月底達(dá)到峰值，最高值為28.8 ℃。氣溫呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，7 月達(dá)到峰值，最高值為37 ℃。在此期間水溫較氣溫具有較低溫度，水溫較氣溫低1.2～8.6 ℃，7月水溫和氣溫的溫差達(dá)到最大值，為8.6 ℃。

將12 個(gè)月的數(shù)據(jù)作為一個(gè)閉環(huán)分析，即將12月與1 月的數(shù)據(jù)串聯(lián)。設(shè)備水溫下降期為1—2 月、9—12 月，持續(xù)時(shí)間6 個(gè)月。從9 月月初設(shè)備水溫逐漸下降，到2 月月底達(dá)到谷值，最低值為12.1 ℃。氣溫總體呈現(xiàn)先降低后緩慢上升的趨勢，12 月達(dá)到谷值，最低值為3 ℃。在此期間水溫較氣溫具有較高溫度，水溫較氣溫高0.2～12.8 ℃，12 月水溫和氣溫的溫差達(dá)到最大值，為12.8℃。

這種水溫上升期時(shí)水溫低于氣溫、水溫下降期時(shí)水溫高于氣溫的現(xiàn)象的成因在于水的比熱容比空氣的比熱容大［4］，吸收和釋放相同的熱量時(shí)，水溫變化幅度小于氣溫變化幅度，且水溫變化比氣溫變化具有一定的滯后性。同理分析在相同氣候背景下，地上式設(shè)備和地埋式設(shè)備的水溫變化情況。由于土壤的比熱容大于空氣的比熱容，與土壤直接接觸的地埋式設(shè)備的水溫變化幅度要小于與空氣直接接觸的地上式設(shè)備的水溫變化幅度。為防止冬季水溫過低或晝夜水溫變化幅度過大影響設(shè)備運(yùn)行效果，地上式設(shè)備冬季通常需要采取保溫措施，這也是百噸級(jí)及以下處理設(shè)備多采用地埋的安裝方式的優(yōu)勢所在。

3.2 設(shè)備水溫隨氣溫的變化分析

根據(jù)1 號(hào)設(shè)備2022 年全年設(shè)備水溫和氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，暫不考慮時(shí)間因素的影響，分析每個(gè)空氣溫度及其所對(duì)應(yīng)的設(shè)備水溫?？諝鉁囟群驮O(shè)備水溫之間并不是簡單的線性關(guān)系，在同一空氣溫度下，存在多個(gè)設(shè)備水溫，同時(shí)同一設(shè)備水溫下也對(duì)應(yīng)著多個(gè)空氣溫度。從總體變化趨勢來說，空氣溫度越高，設(shè)備水溫也越高。說明影響設(shè)備水溫的因素可能很多，但主要受空氣溫度的影響，且設(shè)備水溫與空氣溫度的關(guān)系較復(fù)雜。若對(duì)同一空氣溫度下的設(shè)備水溫求取平均值，則空氣溫度與相應(yīng)的設(shè)備水溫的平均值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。

用數(shù)學(xué)模型擬合空氣溫度和相應(yīng)設(shè)備水溫平均值的變化關(guān)系，最終選用Sine 模型對(duì)上述變化關(guān)系進(jìn)行擬合。

Sine 模型形式為：

擬合曲線結(jié)果如圖1 所示。擬合曲線方程為：

式中，TW為設(shè)備水溫平均值，℃；Ta為空氣溫度，℃。

此擬合模型決定系數(shù)R2＝0.970 76。分析擬合曲線的合理性，曲線分為3 段：（1）空氣溫度小于10 ℃時(shí)，設(shè)備水溫隨空氣溫度升高而降低。此階段發(fā)生在1 月和2 月、12 月，空氣溫度發(fā)生驟降后又緩慢上升，設(shè)備水溫因水的比熱容大，并未出現(xiàn)突然驟降的現(xiàn)象，而是緩慢下降，2 月月底時(shí)設(shè)備水溫出現(xiàn)了最低值，而此時(shí)的空氣溫度并不是最低值，空氣溫度在12 月時(shí)出現(xiàn)最低值。（2）空氣溫度在10～30 ℃時(shí)，設(shè)備水溫隨空氣溫度的升高而升高，線性關(guān)系較明顯，這與設(shè)備水溫主要受空氣溫度影響相吻合。（3）空氣溫度大于30 ℃時(shí)，設(shè)備水溫隨空氣溫度變化不明顯。此階段發(fā)生在7 月和8 月，空氣溫度達(dá)到一年中最高值，但設(shè)備水溫能夠維持在較穩(wěn)定的水平。

3.3 設(shè)備水溫與氣溫?cái)M合曲線的有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證該擬合曲線的有效性，用2 號(hào)設(shè)備的水溫和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，將空氣溫度數(shù)據(jù)代入擬合曲線方程中，得到設(shè)備水溫的預(yù)測值，將該預(yù)測值與設(shè)備水溫的實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 設(shè)備水溫預(yù)測值與實(shí)測值對(duì)比

由圖2 可見，設(shè)備水溫的預(yù)測值與實(shí)際值2 條折線基本可以吻合，但仍存在一定的誤差。對(duì)擬合曲線的誤差率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，設(shè)備水溫預(yù)測值相比于實(shí)測值的誤差率見表1。誤差率大多在小于20%的區(qū)間內(nèi)，在此區(qū)間內(nèi)的樣本數(shù)量占比為75%，說明該擬合曲線可以較好地表示地埋式農(nóng)污處理設(shè)備的水溫與空氣溫度的相關(guān)性。

表1 設(shè)備水溫預(yù)測值與實(shí)測值的誤差率

3.4 設(shè)備水溫與設(shè)備埋深的相關(guān)性分析

2 號(hào)設(shè)備埋深2.7 m，1 號(hào)設(shè)備埋深2.3 m，2 號(hào)設(shè)備埋深比1 號(hào)設(shè)備埋深深0.4 m。由2022 年全年監(jiān)測期內(nèi)2 臺(tái)設(shè)備的水溫隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)可知，設(shè)備埋深對(duì)水溫的影響比氣溫對(duì)水溫的影響明顯較小。在水溫上升期（3—8 月），2 號(hào)設(shè)備水溫較1 號(hào)設(shè)備水溫略低，且水溫差隨時(shí)間呈變大的趨勢。在水溫下降期（1—2 月、9—12 月），剛開始2 號(hào)設(shè)備水溫較1 號(hào)設(shè)備水溫略低，但差距越來越小；10 月中旬—12月、1 月期間，2 臺(tái)設(shè)備的水溫慢慢重合；從2 月開始，2 號(hào)設(shè)備水溫反超1 號(hào)設(shè)備水溫。這說明設(shè)備埋深越深，設(shè)備水溫變化幅度越小，設(shè)備水溫越穩(wěn)定，進(jìn)而越有利于農(nóng)污處理設(shè)備的性能發(fā)揮，這也是嚴(yán)寒地區(qū)地埋式農(nóng)污處理設(shè)備通常采取深埋的措施來保持設(shè)備水溫的原因。

4 結(jié)語

通過對(duì)江蘇蘇南地區(qū)2 臺(tái)地埋式設(shè)備水溫和空氣溫度全年數(shù)據(jù)監(jiān)測，分析了設(shè)備水溫與空氣溫度的變化關(guān)系，得出3—8 月是設(shè)備水溫上升期，在此期間水溫較空氣溫度低1.2～8.6 ℃；1—2 月、9—12月是設(shè)備水溫下降期，在此期間水溫較空氣溫度高0.2～12.8 ℃，水溫較空氣溫度的變化有一定的滯后。通過數(shù)學(xué)模型擬合空氣溫度和設(shè)備水溫平均值的變化關(guān)系，得到Sine 擬合曲線，R2達(dá)到0.970 76。另外，分析了設(shè)備水溫與設(shè)備埋深的變化關(guān)系，得出設(shè)備埋深越深，設(shè)備水溫變化幅度越小，設(shè)備水溫越穩(wěn)定，水溫對(duì)氣溫敏感程度越弱。上述結(jié)論對(duì)指導(dǎo)地埋式農(nóng)污處理設(shè)備的應(yīng)用、安裝和運(yùn)行效果分析提供了一定的參考。